La naissance de l’holographie quantique : fabriquer des hologrammes de particules lumineuses isolées!

Des scientifiques de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie ont créé le tout premier hologramme d’une seule particule de lumière.

Radoslaw Chrapkiewicz (droite) et le doctorant Michal Jachura devant
le montage expérimental qui enregistre l’hologramme d’un photon unique

L’expérience spectaculaire, rapportée dans le journal Photonique Nature, dirigée par le Dr Radoslaw Chrapkiewicz et Michal Jachura sous la supervision du Dr Wojciech Wasilewski et du Pr Konrad Banaszek. Leur enregistrement réussi de l’hologramme d’un seul photon annonce une nouvelle ère de l’holographie: l’holographie quantique, qui promet d’offrir une toute nouvelle perspective des phénomènes quantiques.

« Nous avons effectué une expérience relativement simple pour mesurer et visualiser quelque chose d’incroyablement difficile à observer: la forme des fronts d’onde d’un photon unique », explique le Dr Chrapkiewicz.

En photographie standard, les points individuels d’une image enregistrent uniquement l’intensité de la lumière. En holographie classique, le phénomène d’interférence enregistre également la phase des ondes lumineuses (c’est la phase qui porte les informations sur la profondeur de l’image). Lorsqu’un hologramme est créé, une onde lumineuse bien décrite et non perturbée (onde de référence) est superposée à une autre onde de la même longueur d’onde mais réfléchie par un objet tridimensionnel (les pics et les creux de ces deux ondes sont décalés à des degrés divers). différents points de l’image). Il en résulte des interférences et les différences de phase entre les deux ondes créent un motif complexe de lignes. Un tel hologramme est ensuite illuminé avec un faisceau de lumière de référence pour recréer la structure spatiale des fronts d’onde de la lumière réfléchie par l’objet, et ainsi sa forme 3D.

On pourrait penser qu’un mécanisme similaire serait observé lorsque le nombre de photons créant les deux ondes était réduit au minimum, c’est-à-dire à un seul photon de référence et à un seul photon réfléchi par l’objet. Et pourtant, tu aurais tort! La phase des photons individuels continue de fluctuer, ce qui rend impossible toute interférence classique avec d’autres photons. Comme les physiciens de Varsovie étaient confrontés à une tâche apparemment impossible, ils ont tenté d’aborder le problème différemment: plutôt que d’utiliser l’interférence classique des ondes électromagnétiques, ils ont tenté d’enregistrer une interférence quantique dans laquelle les fonctions d’onde des photons interagissent.

La fonction d’onde est un concept fondamental en mécanique quantique et le noyau de son équation la plus importante: l’équation de Schrödinger. Dans les mains d’un physicien expérimenté, la fonction pourrait être comparée à du mastic dans les mains d’un sculpteur: lorsqu’elle est façonnée de manière experte, elle peut être utilisée pour « mouler » un modèle d’un système de particules quantiques. Les physiciens essaient toujours de connaître la fonction d’onde d’une particule dans un système donné, car le carré de son module représente la distribution de la probabilité de trouver la particule dans un état particulier, ce qui est très utile.

« Tout cela peut paraître compliqué, mais dans la pratique, notre expérience est simple: au lieu de regarder l’évolution de l’intensité de la lumière, nous examinons l’évolution de la probabilité d’enregistrer des paires de photons après l’interférence quantique », explique la doctorante Jachura.

Pourquoi des paires de photons? Il y a un an, Chrapkiewicz et Jachura ont utilisé une caméra innovante construite à l’Université de Varsovie pour filmer le comportement de paires de photons distincts et non distincts entrant dans un diviseur de faisceau. Lorsque les photons sont distinguables, leur comportement au niveau du séparateur de faisceau est aléatoire: un ou les deux photons peuvent être transmis ou réfléchis. Les photons non distinguables présentent des interférences quantiques, ce qui modifie leur comportement: ils se joignent par paires et sont toujours transmis ou réfléchis ensemble. Ceci est connu sous le nom d’interférence à deux photons ou effet Hong-Ou-Mandel.

« Après cette expérience, nous avons été inspirés par la question de savoir si l’interférence quantique à deux photons pouvait être utilisée de la même manière que l’interférence classique en holographie afin d’utiliser des photons à état connu pour obtenir des informations supplémentaires sur les photons à état inconnu. Notre analyse nous a conduits à une surprenante conclusion: il s’est avéré que lorsque deux photons présentent une interférence quantique, l’évolution de cette interférence dépend de la forme de leur front d’onde », explique le Dr Chrapkiewicz.

L’interférence quantique peut être observée en enregistrant des paires de photons. L’expérience doit être répétée plusieurs fois, toujours avec deux photons aux propriétés identiques. Pour répondre à ces conditions, chaque expérience a débuté avec une paire de photons à fronts d’ondes plats et à polarisations perpendiculaires; cela signifie que le champ électrique de chaque photon a vibré dans un seul plan et que ces plans étaient perpendiculaires pour les deux photons. La polarisation différente a permis de séparer les photons dans un cristal et de rendre l’un d’eux inconnu en courbant leur front d’onde à l’aide d’une lentille cylindrique. Une fois que les photons ont été réfléchis par des miroirs, ils ont été dirigés vers le séparateur de faisceau (un cristal de calcite). Le séparateur n’a pas changé la direction des photons polarisés verticalement, mais il a divergé des photons polarisés horizontalement. Afin de rendre chaque direction également probable et de s’assurer que le cristal agit comme un séparateur de faisceau, les plans de polarisation des photons ont été courbés de 45 degrés avant que les photons ne pénètrent dans le séparateur. Les photons ont été enregistrés à l’aide de l’appareil photo de pointe conçu pour les expériences précédentes. En répétant plusieurs fois les mesures, les chercheurs ont obtenu une image d’interférence correspondant à l’hologramme du photon inconnu vu à partir d’un seul point de l’espace. L’image a été utilisée pour reconstruire complètement l’amplitude et la phase de la fonction d’onde du photon inconnu.

L’expérience menée par les physiciens de Varsovie est une étape majeure dans l’amélioration de notre compréhension des principes fondamentaux de la mécanique quantique. Jusqu’à présent, il n’existait pas de méthode expérimentale simple pour obtenir des informations sur la phase de la fonction d’onde d’un photon. Bien que la mécanique quantique ait de nombreuses applications et que cela ait été vérifié à maintes reprises avec beaucoup de précision au cours du siècle dernier, nous ne sommes toujours pas en mesure d’expliquer ce que sont réellement les fonctions d’onde: s’agit-il simplement d’un outil mathématique pratique ou s’agit-il d’une réalité?

« Notre expérience est l’une des premières nous permettant d’observer directement l’un des paramètres fondamentaux de la fonction d’onde du photon – sa phase – nous rapprochant encore plus de la compréhension de ce qu’est réellement la fonction d’onde », explique Jachura.

Les physiciens de Varsovie ont utilisé l’holographie quantique pour reconstruire la fonction d’onde d’un photon individuel. Les chercheurs espèrent qu’à l’avenir, ils pourront utiliser une méthode similaire pour recréer les fonctions d’onde d’objets quantiques plus complexes, tels que certains atomes. L’holographie quantique trouvera-t-elle des applications au-delà du laboratoire dans une mesure similaire à celle de l’holographie classique, couramment utilisée dans les domaines de la sécurité (les hologrammes sont difficiles à contrefaire), du divertissement, du transport (scanners mesurant les dimensions du fret), de l’imagerie microscopique technologies de traitement?

« Il est difficile de répondre à cette question aujourd’hui. Nous tous, je veux dire les physiciens, devons d’abord nous familiariser avec ce nouvel outil. Il est probable que les applications réelles de l’holographie quantique n’apparaîtront pas avant quelques décennies, mais si Une chose dont nous pouvons être sûrs, c’est qu’ils seront surprenants », résume le professeur Banaszek.

yogaesoteric
19 mars 2020